Il metabolismo dell’azoto
Il metabolismo dell’azoto
La fissazione dell’azoto
Richiede N, una fonte di elettroni e ATP che
vengono utilizzati dal complesso della nitrogenasi
Microrganismi azotofissatori : ad
es. batteri appartenenti ai generi
Clostridium e Azotobacter.
Specie del genere Rhizobium,
attinomiceti del genere Frankia e
diversi cianobatteri sono
organismi azotofissatori
simbionti. Radici di una leguminosa e il simbionte Rhizobium leguminosarum.
La nitrogenasi è un complesso enzimatico, appartenente alla
classe delle ossidoreduttasi, che catalizza il processo di
riduzione dell'azoto atmosferico, favorendo la sua fissazione
da parte di specifici microrganismi (azotofissatori).
L'azoto viene trasformato in ammoniaca sfruttando l'idrogeno
derivante dall'ossidazione dei carboidrati.
Questa ammoniaca costituisce la materia prima principale per
la biosintesi di acido glutammico e di glutammina.
La nitrogenasi è costituita da due proteine: la dinitrogenasi
(una Fe-proteina) e la dinitrogenasi reduttasi (una MoFe-
proteina).
Complesso della nitrogenasi
N2 + 10 H++ 8e- + 16ATP
2NH4+ + 16ADP + 16P + H2
Centri Fe-S
Dinitrogenasi
reduttasi (una
MoFe-proteina).
Dinitrogenasi
reduttasi (una
MoFe-proteina).
Il metabolismo dell’azoto
L’ammoniaca viene conservata
in glutammina, che è anche
donatore di gruppi amminici di
molti altri prodotti biosintetici
Metabolismo degli aminoacidi
Aminoacidi
Essenziali Non essenziali
(nell’uomo) Arg Ala
His Asp
Ile Asn
Leu Cys
Lys Glu
Met Gln
Phe Gly
Thr Pro
Trp Ser
Val Tyr
Degradazione delle proteine
• Le cellule sintetizzano continuamente
proteine partendo da aminoacidi e le
degradano ottenendo aminoacidi.
• Risparmio energetico
• Rimozione delle proteine danneggiate
• Regolazione del metabolismo cellulare
Degradazione delle proteine
provenienti dall’alimentazione
Gli zimogeni
Degradazione intracellulare delle proteine
• Degradazione lisosomale – 50 enzimi idrolitici,
pH acido.
• È attiva sulle proteine assunte per endocitosi e,
in generale, su tutti i costituenti cellulari racchiusi
in vacuoli.
• La degradazione lisosomiale è non selettiva, ma
in condizioni di digiuno prolungato vengono
importate solo le proteine citosoliche contenenti
il peptide KFERQ
Degradazione intracellulare delle proteine ubiquitina-dipendente
La degradazione può avvenire tramite un processo
che richiede ATP ed è indipendente dai lisosomi
Le proteine sono marcate per essere degradate
tramite un legame covalente
con l’ubiquitina (76 residui)
Tutti gli eucarioti possiedono
ubiquitina
E1 = ubiquitin-activating enzyme
E2 = ubiquitin-conjugating enzyme
E3 = ubiquitin-protein ligase
Più molecole di ubiquitina si legano formando delle
lunghe catene (fino a 50 molecole), con legami tra
la catena laterale del residuo Lys 48 e il C-terminale
dell’ubiquitina successiva
• Le proteine sono caratterizzate da una diversa emivita
• Quelle che svolgono importanti funzioni regolative del metabolismo sono degradate più velocemente rispetto a quelle caratterizzate da un’attività catalitica costante in tutte le condizioni fisiologiche
Emivita delle proteine citoplasmatiche
1. Regola dell’ N-terminale :
Se è Asp, Arg, Leu, Lys, Phe 2-3 min
Se è Ala, Gly, Met, Ser, Val >10-20 ore
2. Altri segnali :
Sequenza PEST (Pro-Glu-Ser-Thr) degradazione rapida
Il proteasoma
Le proteine ubiquitinate vengono degradate tramite un
processo ATP-dipendente da un complesso proteico ad alto
peso molecolare noto come proteasoma 26S (2000 kDa,
26S).
I prodotti sono peptidi di circa 8 aminoacidi
Il proteasoma di lievito
Il proteasoma ha una struttura di base di forma cilindrica, cava,
denominata proteasoma 20S. Questo è costituito da sette tipi
di tipi di subunità α e da sette tipi di subunità β, dotate di attività
proteolitica.
Degradazione degli aminoacidi
Gli aminoacidi vanno incontro a degradazione : 1) per normale turnover delle proteine 2) quando il loro apporto con la dieta sia particolarmente abbondante 3) quando non siano disponibili carboidrati. Vengono degradati a composti che possono essere metabolizzati a CO2 e H2O oppure utilizzati nella gluconeogenesi. Gli aminoacidi introdotti in eccesso con la dieta vengono convertiti in composti precursori del glucosio (a.a. glucogenici) oppure degli acidi grassi e dei corpi chetonici (a.a. chetogenici).
La via degradativa di tutti gli aminoacidi richiede
l'allontanamento del gruppo aminico. Lo scheletro carbonioso
viene utilizzato nel ciclo di Krebs o nella gluconeogenesi
Parte dell'azoto aminico viene riutilizzato in
processi biosintetici; parte è escreto come tale
a livello renale e parte sotto forma di urea.
Reazioni di transaminazione
Conservano il gruppo aminico, ma lo mobilitano (spesso in Glu)
Il piridossal fosfato
E’ la forma attiva della Vitamina B6 ed è un cofattore di enzimi
transferasi come le transaminasi.
Es. reazioni di transaminazione
Meccanismo della transaminazione
• Transimminazione
• Tautomerizzazione
• Idrolisi
Deamminazione ossidativa
Queste reazioni rimuovono il gruppo amminico (tossico)
La glutammina
trasporta ammoniaca
attraverso il flusso
sanguigno
L’alanina trasporta l’ammoniaca dal
muscolo al fegato
Escrezione dell’azoto
Il ciclo dell’urea
• L’urea viene sintetizzata nel fegato, secreta nel circolo sanguigno, sequestrata dai reni e poi escreta.
• Questo è stato il primo ciclo metabolico ad essere compreso (1932).
• E’ composto da 5 reazioni (2 mitocondriali e 3 citoplasmatiche)
• NH3 + HCO3- + aspartato + 3 ATP
Urea + fumarato + 2 ADP + 1 AMP + 2Pi + PPi
I due atomi di azoto provengono dall’ammoniaca e dall’aspartato, il carbonio dal bicarbonato
aminoacido NH3
urea
1. Carbamil fosfato sintetasi
• Questo enzima è il principale sito di regolazione del ciclo (è stimolato da N-acetilglutammato)
2. Ornitina transcarbamilasi
3. Arginino-succinato sintetasi
citrullina citrullil-AMP
aspartato
arginisuccinato
4. Argininosuccinasi
fumarato
5. Arginasi
L’arginina è
il precursore
diretto dell’urea
arginina
Qual’è il costo energetico del ciclo dell’urea?
Apparentemente:
NH3 + HCO3
- + aspartato + 3 ATP
Urea + fumarato + 2 ADP + 1 AMP + 2Pi + PPi
MA : il fumarato…
Inoltre: nella deaminazione ossidativa si forma NAD(P)H
Degradazione degli aminoacidi
Glucogenici
Chetogenici
Ala Cys Gly Ser Thr
Arg, Glu,
Gln, His,Pro
Met
Catena
ramificata
Lys e Leu
Trp
Phe
Phenylketonuria
X
Scarsa disponibilità di zuccheri